“燃烧与爆炸技术重点实验室合作研究专刊”序言

国防科技重点实验室是国防科技创新的国家队,是国家战略科技力量的重要组成部分,是国防创新体系的中坚力量。燃烧与爆炸技术重点实验室(简称重点实验室)是火炸药领域唯一的国防科技重点实验室,自1992年获批以来,始终秉承“兼容并包”的发展理念,坚持优势互补、合作共赢的原则,与国内众多知名高校、科研院所、企业单位等建立了良好的合作关系,携手开展燃烧与爆炸技术领域的基础研究和前沿探索,不断寻求创新与突破,并在基础理论、模型建立、新材料开发与应用、机理解析等方面取得了丰硕成果。

形成串联爆炸成型弹丸的组合药型罩结构参数研究

为了提高聚能战斗部对水中目标的毁伤威力,提出形成串联爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)的组合药型罩战斗部结构。利用平板抛掷和圆筒压垮公式建立组合药型罩EFP速度分析模型,并使用AUTODYN-2D软件对EFP成型和入水毁伤过程进行数值模拟,研究组合药型罩结构参数对串联EFP成型的影响,证明其在水中高效的侵彻性能。研究结果表明:理论与数值模拟计算得到的EFP速度基本吻合,最大误差不超过10%;组合药型罩分离形成串联EFP是由于内外罩不同的材料和结构组合使罩微元从接触面处开始形成较大的速度差所引起的;随着内罩直径的增大,内外罩形成的EFP速度同时减小,长径比分别增大与减小;单独增大内外罩外曲率半径与罩顶壁厚,对应罩成型的EFP性能变化规律和单一药型罩相同,但另一罩成型EFP的长径比均减小或分别减小与增大,速度变化幅度较小;组合药型罩串联EFP侵彻4倍装药直径的水后,动能衰减率较双层药型罩降低21.55%,剩余速度提高5.77%,且随着侵彻距离的增加该差距进一步扩大。

MgH_(2)对含能材料点火燃烧性能影响的实验研究

为了研究MgH_(2)对典型含能材料点火燃烧性能的影响规律,采用激光点火和高速摄影可视化技术对MgH_(2)与RDX等5种含能材料的混合物进行了点火延迟时间和火焰传播速度的测试与计算。结果表明,MgH_(2)的质量分数为50%和11.1%时对于提高RDX点火燃烧性能的效果最佳;质量分数11.1%的MgH_(2)最有利于HMX点火燃烧性能的改善;对于CL-20,添加质量分数20%~33.3%的MgH_(2)可显著提升其火焰传播速度,但是当MgH_(2)的质量分数为50%和11.1%时混合物的点火延迟时间更短;FOX-7和ADN与MgH_(2)混合物的点火延迟时间均小于含能组分和MgH_(2)各自的点火延迟时间,即此类含能材料与MgH_(2)的点火过程具有相互促进的作用;综合考虑FOX-7点火性能和火焰燃烧性能的提升,添加质量分数11.1%的MgH_(2)最为有利;MgH_(2)对ADN点火燃烧性能的提升与MgH_(2)的添加量成正比。MgH_(2)促进含能材料点火燃烧性能提升的原因在于MgH_(2)的分解产物促进了含能材料相态转变,最终促进了点火燃烧性能的提升。

褐煤煤尘爆炸火焰传播特性及燃烧热分解机理研究

煤尘爆炸是矿井安全开采的主要危险源之一。以褐煤煤尘为研究对象,探究煤尘粒径对煤尘火焰传播过程的影响。用高速摄影装置记录火焰的传播过程,进而分析不同粒径下煤尘爆炸火焰传播的高度和速度。为进一步分析煤尘燃烧过程中的化学反应机理,借助反应分子动力学方法对煤分子燃烧中的初始热分解过程进行了模拟。研究结果表明:爆炸火焰传播高度呈先增加、后稳定的趋势,传播速度呈先增大、后减小的趋势;随着煤尘粒径的减小,火焰传播高度和传播速度均呈增大的趋势;当煤尘粒径为10.5μm时,火焰传播高度和传播速度的峰值分别为623 mm和4.3 m/s;煤尘热分解主要产物为H_(2)、H_(2)O、CO_(2)和CH_(2)O,这些产物进一步与氧气的结合会促进煤尘燃烧和火焰传播过程,使得整个体系燃速加快。为煤尘热分解和燃烧提供了较为充分的数据基础。

阵列爆炸——一种常规高效毁伤技术

世界范围内,高张力键能材料如离子氮、全氮、聚合氮(Chong ZHANG,Cheng-guo SUN,Bing-cheng HU,et al. Synthesis and characterization of the pentazolateanion cyclo-N5-in(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl[J]. Science,2017,335(6323):374-376;Yuan-gang XU,Qian WANG,Cheng SHEN,et al. A series of energetic metal pentazolatehydrates [J]. Nature,DOI:10.1038/nature23662)、金属氢(Brent Grocholski. Staming hydrogen into metal[J]. Science,2017,335(6326):706)等颠覆性含能材料的合成与表征仍处于探索阶段,近期难以工程化应用,“采用新型毁伤机理或模式,实现新效应毁伤”则成为常规毁伤技术的重点发展方向(宋浦,肖川.常规毁伤的新发展——超强毁伤技术[J].含能材料,2018,26(6):462-463)。

纳米CuCr_(2)O_(4)在HTPB复合推进剂中应用的安全性及燃烧机理

为提高纳米CuCr_(2)O_(4)(n-CuCr_(2)O_(4))燃烧效能,阐明其促进HTPB复合推进剂燃烧的机理,研究了n-CuCr_(2)O_(4)分散方法,探讨了n-CuCr_(2)O_(4)对复合推进剂安全性和燃烧性能的影响。结果表明,癸二酸二异辛酯(DOS)可使n-CuCr_(2)O_(4)颗粒充分分散,颗粒粒径为50 nm。将DOS与乙酸乙酯混合作为分散液,n-CuCr_(2)O_(4)/分散液为12/100,超声分散30 min,n-CuCr_(2)O_(4)可以有效分散,使推进剂燃速提高1.5%。在含量均为2.5%时,含n-CuCr_(2)O_(4)推进剂的燃速虽然低于含卡托辛的,但是摩擦感度和撞击感度均降低。与微米CuCr_(2)O_(4)相比,n-CuCr_(2)O_(4)与卡托辛配合使用,使推进剂的摩擦感度由68%降低至52%,扩散火焰燃烧更充分,燃烧波温度分布曲线的斜率较大,4 MPa下为3.54×10^(4)℃/s,而含微米级CuCr_(2)O_(4)推进剂的燃烧波温度分布曲线斜率为2.06×10^(4)℃/s,明显促进了推进剂燃烧,而且随压力增加,这种趋势更加明显。

固体推进剂燃烧火焰诊断与模拟技术研究进展

从固体推进剂燃烧机理研究出发,简要综述了目前在固体推进剂燃烧火焰诊断和模拟技术研究进展。从固体推进剂燃烧温度测量、燃烧火焰形态获取、燃烧组分检测、熄火表面制备与分析等方面介绍了固体推进剂燃烧火焰诊断方法在实验方面的发展情况;探究了模型计算在固体推进剂燃烧机理方面的进展;介绍了各诊断方法所涉及的基本原理,对比了各方法在实际燃烧诊断中的优缺点,同时对固体推进剂燃烧火焰诊断典型方法和模拟仿真技术的发展方向进行了展望。附参考文献86篇。

固体推进剂含能燃烧催化剂研究现状与发展趋势

以含能基团为区分,综述了固体推进剂含能燃烧催化剂近年来的研究现状,总结了唑类、吖嗪类、二茂铁类、蒽醌类、石墨烯类及硝基类含能燃烧催化剂对固体推进剂及其主要组分的催化燃烧作用及催化机制。指出唑类和吖嗪类部分化合物对固体推进剂催化效果优异;二茂铁及衍生物含能化兼具提升能量和改善迁移;蒽醌类等新型含能催化剂也各有优势;含氮量越高,对催化剂体系能力贡献越大,可通过在氮杂环上引入硝基等含能基团以提高氮含量并改善催化剂的性能。指出今后含能燃烧催化剂的研究重点为:进一步开展多功能、多金属含能燃烧催化剂的设计及机理探索;同时加强含能燃烧催化剂对其他含能材料热分解的催化作用及在固体推进剂中的应用研究。附参数文献89篇。

含氟层包覆镁粉的制备与燃烧性能

使用聚四氟乙烯(PTFE)作为氟源,在高温电阻炉中将PTFE/Mg混合粉末加热到600℃后制备了包覆镁粉.使用XRD、SEM、EDS、TG-DSC和显微镜等对镁原料和包覆镁粉的反应特性进行了研究.结果表明:包覆镁中活性镁的含量为97.2%.在空气中反应时,其DSC上放热峰的起始反应温度比镁原料上升了233.9℃.燃烧过程中包覆镁形成了典型的壳核结构,且在燃烧后期,包覆层内的F-Mg相会转化为MgF2相并析出多余的Mg.

纳米硼基复合金属颗粒弥散燃烧的诊断研究

金属燃料的添加不仅能够提高推进剂的能量密度,还能缓解冲压发动机高频燃烧的不稳定现象。硼具有较高的质量热值和体积热值,受到了广泛关注。然而由于硼自身熔点高、沸点高且表面存在氧化层,导致点火困难,燃烧性能差。铝和铁的存在会使得氧化过程表面反应的放热增加,提高温度,促进硼的点火和燃烧。同时由于铝和铁具有较高的燃烧热和较快的能量释放速率,理论燃烧热利用率高,可引入铝和铁来提高硼的燃烧效率和实际燃烧热值。针对硼点火困难和燃烧性能差的问题,将硼分别和铝、铁掺混得到兼具较好点火性能和较高能量密度的复合金属燃料。采用弥散燃烧系统研究了纳米硼基复合金属颗粒云的弥散燃烧特性,利用高速相机获得硼及硼基复合金属颗粒云的燃烧过程,并利用双色法测量了其温度分布变化,应用光纤光谱仪、扫描透射电镜、X射线衍射和元素分析对硼基复合金属颗粒的燃烧特性及机理进行分析。结果表明,铝和铁的加入缩短了硼的点火延迟时间和燃烧时间,并且使得同一时间内被点燃的硼颗粒数量增加,硼的燃烧过程更加剧烈。铝的加入提高了复合燃料的燃烧温度;铁的加入降低了复合燃料的燃烧温度。硼基复合金属颗粒弥散燃烧测温过程中观察到明显的绿光,结合光谱图,分析该绿光来自于硼燃烧生成的中间产物BO_(2)。硼基复合金属颗粒弥散燃烧后团聚物主要为氧化产物,其中也含有少量的氮元素。硼基复合金属颗粒弥散燃烧后产物团聚现象更为明显,且不规则块状硼的破裂更加严重。硼基复合金属颗粒进入管式炉后,受到热辐射后在短时间内快速升温,铝和铁颗粒率先达到着火温度开始燃烧,燃烧释放的热量积聚在颗粒内部,被硼颗粒吸收,硼表面氧化层破裂,内部硼与空气接触,继而温度上升至硼的着火点,硼开始燃烧,从而促进了硼的燃烧。

单原子燃烧催化剂结构和催化机理的先进表征技术

为了实现对高效单原子燃烧催化剂的合理设计,对单原子催化剂结构的详细表征以及在分子原子水平上研究催化反应过程至关重要。综述了当前可用于表征单原子燃烧催化剂的先进技术,包括同步辐射X射线吸收谱学(XAS)以及球差校正透射电子显微镜。重点介绍了可用于单原子燃烧催化剂催化机理研究的原位同步辐射谱学相关技术,包括XAS、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和真空紫外线分子束质谱(SVUV-PIMS)等。展望了利用上述先进技术对单原子燃烧催化剂的结构表征及其催化机理的研究,将有利于单原子燃烧催化剂的进一步设计和合成,并提出了这些表征技术在单原子燃烧催化中存在的挑战以及未来可能的研究方向。附参考文献38篇。

四种混合不同碳材料的FOX-7粉末激光点火:点火延迟实验与简化计算

针对1,1-二胺-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)因点火相对困难而限制其广泛应用的问题,利用CO_(2)激光器在一定的功率密度范围对4种混合不同碳材料的FOX-7粉末开展了点火实验,研究点火延迟时间的变化趋势。采用两种简化模型对点火延迟时间进行计算与分析,以探究点火机理和指导FOX-7的点火性能提升。结果表明,几种碳材料的添加会导致FOX-7粉末点火延迟时间发生不同程度的缩短。石墨烯和氧化石墨烯在缩短点火延迟方面表现出相对较强的促进作用,石墨的效果较为轻微。计算结果显示,模型1比模型2更适合预测FOX-7粉末的点火延迟时间。机理分析表明,石墨烯的添加能够有效提升FOX-7粉末对辐照能量的吸收且减小能量损失。研究表明FOX-7粉末样品的主要点火诱导过程受到激光辐照下传热性质的强烈影响。

单原子催化剂的催化效果及其作为固体推进剂燃烧催化剂的应用前景分析

随着先进火箭与导弹技术进一步发展,现有燃烧催化剂已经无法满足推进剂技术进一步向着高能、燃气清洁以及燃烧可控方向发展的需求,体现在催化效率不够高、催化选择性差以及缺乏催化模型3个方面。而单原子催化剂具有高催化活性和选择性、高稳定性和100%原子利用率等显著优势,将单原子催化剂引入推进剂燃烧催化领域有望突破固体推进剂燃烧性能高效、精准调控这一瓶颈问题。主要介绍了单原子催化剂的制备方法和表征技术,分析了单原子燃烧催化剂在固体推进剂领域的作用效果,指出了单原子催化剂的优势所在,进一步结合现有燃烧催化剂研究经验,预测了单原子燃烧催化剂发展趋势,分别从微观结构多样化设计与构建方面丰富单原子燃烧催化剂体系以及从分子层面认知催化反应机理,明确固体推进剂单原子催化燃烧机制。附参考文献63篇。

基于光场成像的燃烧颗粒粒径与速度测量方法

为实现固体推进剂中金属燃料动态燃烧的精细化表征,提出一种基于光场成像的固体推进剂中燃烧颗粒粒径与速度三维动态同步测量方法。构建固体推进剂燃烧光场成像测量系统,获得金属颗粒动态燃烧过程的光场图像,通过重聚焦算法得到燃烧颗粒场的重聚焦图像;进一步开展光场相机标定实验,获取深度与最佳重聚焦参数的关系曲线;利用图像分割算法对重聚焦图像中的颗粒进行识别和定位,获取燃烧颗粒的粒径大小,并结合三维粒子跟踪技术对颗粒的轨迹和速度进行重构;开展推进剂药条燃烧实验验证研究。结果表明:光场成像技术能够获得不同深度的颗粒信息,跟踪颗粒的动态燃烧过程,并实现对燃烧金属颗粒粒径与三维速度的同步测量。

不同类型微/纳米铝粉点火燃烧特性研究

微/纳米铝粉在火炸药领域具有广泛的应用前景,为揭示其在推进剂中的燃烧机理,利用CO2激光点火装置对不同类型微/纳米铝粉点火燃烧性能进行了实验研究。研究结果表明:微/纳米铝粉配比中纳米铝粉含量越高,点火燃烧性能越好;80 nm铝粉的点火延迟时间稍大于120 nm铝粉,分析是由于活性铝含量降低其熔化所产生的内外压差变小所致。同时分析了微米铝粉与纳米铝粉的点火燃烧机理:经纳米镍粒子表面改性后微米铝粉点火燃烧性能有所改善,此时纳米镍粒子作为氧的载体;利用有机物包覆改性纳米铝粉,点火延迟时间增加,但结合其防止纳米铝粉氧化及自身能量性能两方面,采用含能聚合物包覆改性纳米铝粉仍具有很好的应用价值。

全氟十四酸包覆纳米铝粉的制备及点火燃烧性能

在氮气气氛下,采用全氟十四酸(FS)对纳米铝粉(nmAl)进行了表面包覆,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外(FT-IR)光谱对其形貌和结构进行了表征。用激光点火装置和低压火药燃烧测试装置对表面处理前后纳米铝粉的点火燃烧性能进行了研究。结果表明,全氟十四酸包覆的纳米铝粉(nmAl/FS),其分散性提高,颗粒分布更均匀;全氟十四酸羧基中的两个氧原子与纳米铝粉表面的Al原子以桥接的方式相结合;与未处理的纳米铝粉相比,在激光热流密度较低时,nmAl/FS的点火延迟时间短;在激光点火燃烧过程中,nmAl/FS的燃烧反应较剧烈,火焰亮度高,在低压火药燃烧测试装置中燃烧时,其燃烧火焰更集中,火焰亮度更高,燃烧更充分。

没食子酸铋锆的制备、表征及其燃烧催化作用

以没食子酸、硝酸铋和硝酸氧锆为原料,首次合成出了双金属有机盐——没食子酸铋锆,采用有机元素分析、X射线荧光(XRF)光谱和傅里叶变换红外(FTIR)光谱对其进行了表征.在程序升温条件下,利用热重(TG)分析、差示扫描量热法(DSC)、固相原位反应池/FTIR联用技术,研究了没食子酸铋锆的热行为和热分解机理,描述了没食子酸铋锆的热分解过程,分析得出其最终分解产物为Bi2O3、ZrO2和C.利用螺压工艺制备了含没食子酸铋锆的推进剂样品,研究了没食子酸铋锆对双基(DB)推进剂燃烧性能的影响,分析了其燃烧催化作用.结果表明,没食子酸铋锆对双基推进剂的燃烧具有良好的催化作用,是一种高效的燃烧催化剂;没食子酸铋锆热分解的最终产物是催化燃烧的主要物质,锆和碳则起辅助催化的作用.

MOFs作为固体推进剂的燃烧催化剂和含能添加剂的研究进展

新材料是固体推进剂发展的基础。其中,新型含能材料以及燃烧催化剂的研发对于改善固体推进剂的性能具有重要的意义。系统介绍了金属有机框架化合物(MOFs)在多相催化以及高能化方面的进展。指出MOFs在催化烷烃、烯烃、醇等有机物以及CO的氧化反应方面具有较高的活性,具备催化推进剂燃烧反应的能力。MOFs在推进剂燃烧过程中原位生成的金属氧化物也可促进推进剂燃烧。引入高含氮量的配体可获得优异能量性能和安全性能的MOFs,改变含能配体的成分、结构及与金属离子的配位方式可调节其能量性能。认为,设计并合成可用于固体推进剂燃烧的高效MOFs催化剂,探讨其在推进剂燃烧过程中的反应机理,揭示其含能基团的成分、结构及与金属离子的配位方式对含能MOFs能量性能的影响等是今后研究重点。

固体火箭推进剂用燃烧催化剂研究新进展

从纳米燃烧催化剂、含能催化剂和双金属燃烧催化剂三方面综述燃烧催化剂的研究新进展。总结了各类催化剂的特点和发展过程中的技术难题,指出燃烧催化剂的发展方向,如纳米催化剂的团聚抑制和催化机理、含能催化剂能量与感度的统一以及双金属催化剂的结构表征和含能化等。附参考文献55篇。

固体推进剂燃速测试技术研究进展

综述了固体推进剂的静态燃速、动态燃速和特定环境下的燃烧测试技术的研究现状以及各种燃速测试方法的特点,分析认为固体推进剂燃速测试技术的总体发展规律是由静态燃速测试逐步发展到动态燃速测试,在动态燃速测试的基础上出现了旋转过载燃速测试技术和压强瞬变条件下的燃速测试技术。现有燃速测试技术还用于测试固体推进剂常用高能添加剂的燃烧性能。提出了固体推进剂燃烧性能测试技术的发展方向:高压(超高压)燃烧性能测试技术、超低压(真空)燃烧性能测试技术、低温微重力环境下的燃烧性能测试技术等。附参考文献55篇。